LED照明设计的散热问题与最新保护技术 LED照明作为新一代

LED照明作为新一代照明受到了广泛的关注。仅仅依靠LED封装并不能制作出好的照明灯具。本文主要从电子电路、热分析、光学等方面对如何运用LED特性的设计进行解说。

近年来，随着电子产品的高密度、高集成度，热解决方案的重要性越来越高，LED照明也不例外，也需要热解决方案。 虽然白炽灯和荧光灯的能量损失大，但是大部分能量都是通过红外线直接放射出去，光源的发热少;而LED,除了作为可视光消耗的能量，其它能量都转换成了热。另外，由于LED封装面积小，通过对流和辐射的散热少，从而积累了大量的热。

热解决方案是?

接下来来考虑怎么制定热解决方案。热解决方案简单的说就是解决因为热产生的各种问题。主要有：

1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂

2.电子电路的运行障碍

3.材料品质恶化

除此之外，也会担心如果发热会不会损坏设备?为了避免这些问题，要尽量控制电子设备的温度，也就是说有效散热很重要，重点是考虑机器的使用环境和安装方法制定最佳的热解决方案。下面列举了由热导致的问题。后半部分以LED灯为例，就LED相关的解决方案进行解说。

由热导致的问题

1.因为热膨胀导致弯曲和龟裂

电子设备由多个零件构成，每个零件的材质都不一样，热胀冷缩的尺度也不一样。因此，当各种材质组合在一起的时候就有可能使材质发生弯曲，膨胀时，产品在连接处因为应力过多就会产生龟裂。

2.电子电路的运行障碍

一般来说，作为热源的半导体元件，有这样一个特性，即当电子设备中的半导体元件温度上升，电的阻抗就会变小。这样就容易陷入“温度上升-阻抗下降-电流增加-热增加-温度上升”的恶性循环，进而容易发生烧断的现象。

3.材料品质的恶化

一般说来，电子设备中使用的材料容易氧化，温度越高氧化越快，如果让这些材料反复经过高温氧化，就会缩短其寿命。同时，反复加热，材料多次膨胀，多次冷缩，会降低材料的强度，从而破坏了材料。

一、为什么要对LED进行保护

白光LED 由于有着很多优点，正在越来越多的进入人们的日常生活之中，它的使用量现在变得非常的巨大。它是新器件，有其自身使用上的特点。白光LED属于电压敏感型的器件。每支LED工作时电流不要超过20mA，超过太多LED就会很容易被烧毁。LED如果是正常使用，其寿命是非常长的。但人们在实际使用中LED往往容易坏，道理何在呢?其实就是没有考虑到LED的使用特点和对它加上保护电路。

LED是光电半导体器件，在装配过程中容易被静电击伤。这就需要在装配过程中进行静电防护。我们发现很多生产厂家的人没有这个概念或根本不懂，这是不行的。

LED在实际工作中是以20mA的电流为上限，但往往会由于在使用中的各种原因而造成电流增大，如果不采取保护措施，这种增大的电流超过一定的时间和幅度后LED就会损坏。

二、造成LED损坏的原因

1、供电电压的突然升高。让供电电源电压突然升高的原因就很多了，例如电源的质量问题，或者用户的不当使用等等原因都可能让供电的电源电压突然升高。

2、线路中某个元件或印制线条或其它导线的短路而形成LED供电通路的局部短路，使这个地方的电压增高。

3、某个LED因为自身的质量原因损坏因而形成短路，它原有的电压降就转嫁到其它LED上。

4、灯具内的温度过高，使LED的特性变坏。

5、灯具内部进了水，水是导电的。

6、在装配的时候没有做好防静电的工作，使LED的内部已经被静电所伤害。尽管施加的是正常电压和电流值，也是极易造成LED的损坏。

这些原因都会造成LED发光字电流的明显大幅上升，很快LED的芯片就会因为过热而被烧毁。根据我们的经验，LED烧毁后多数是两极短路，少部分是断路。每支LED约有3.2V左右的压降，它烧毁后若是断路这串LED就不发光了。若是短路这个电压就转给了其它的LED，造成其它LED的更大电流，其它LED就会更快的被烧毁，甚至危急电源。本来是小损坏就极容易的造成大事故。LED一般安装在高处，安装的时候就不容易，要维修就更难。所以LED的保护是实际的需求，但目前没有被大家重视，也是很多人无奈没有办法处理的难题。

三、怎么对LED来进行保护

对LED的保护我们首先想到的是用保险管，但保险管是一次性的，而且反应速度也太慢，既效果差实际使用也很麻烦，所以保险管不适宜用于现在LED灯成品中，因为LED灯现在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。针对这种实际的需求，我们做了大量的实验，并根据工程的要求总结出了LED保护电路要有的特点，它很苛刻：在超出正常使用电流时能立即启动保护，让LED的供电通路就被断开，使LED和电源都能得到保护，在整个灯正常后又能够自动恢复供电，不影响LED工作，关键是因为它是民用产品，所加的电路不能太复杂体积不能太大，成本要低。这些要求都是互相矛盾，互相制约的，实现起来很困难。

首先应该确定选用哪种保护电路和保护器件。

1、我们可以选择使用瞬态电压抑制二极管(简称TVS)。瞬态电压抑制二极管是一种二极管形式的高效能保护器件。当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒极短时间的速度，使自己两极间的高阻立即降低为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌功率，把两极间的电压箝位在一个预定的电压值，有效的保护了电子线路中的精密元器件。瞬态电压抑制二极管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差一致性好、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

但是在实际使用中发现不是很理想。首先是要寻找满足要求电压值的TVS器件很不容易。TVS器件主要应用于防雷和避雷，以及220V以上的过电压吸收等，而LED灯的供电电压一般是24V或12V，这种电压值的TVS成品很少，试验不好进行。同时我们知道：LED光珠的损坏主要是因为电流过大使芯片内部过热造成的。TVS只能探测过电压不能探测过电流。过电压肯定是过电流的原因，但是要选择合适的电压保护点很难掌握，这种器件就无法生产也就很难在实际中使用。

2、我们可以选择自恢复保险管。自恢复保险管又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC，是由聚合物与导电粒子等构成。在经过特殊加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。当正常工作电流通过(或元件处于正常环境温度)时，PTC自恢复保险丝呈低阻状态;当电路中有异常过电流通过(或环境温度升高)时，大电流(或环境温度升高)所产生的热量使聚合物迅速膨胀，也就切断了导电粒子所构成的导电通路，PTC自恢复保险丝呈高阻状态;当电路中过电流(超温状态)消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，PTC自恢复保险丝又呈初始的低阻状态。在正常工作状态自恢复保险管的发热很小，在异常工作状态它的发热很高阻值就很大，也就限制了通过它的电流，从而起到了保护作用。它的体积小，成本低，可反复使用，实现了保护的自动启动自动退出;它是固态封装耐冲击不容易被损坏;我们在实际的测试中发现：由于它是热敏感器件，受温度的影响很大，由于PTC封装在灯具的内部，光珠肯定要发热就要影响PTC的工作性能。对已经确定的灯具可以通过试验来选择PTC，比较可靠的使用方法是让它远离发热的灯珠。

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